印染園區汙水處理廠工藝改造與運行

湖北省漢川市某印染產業園區內的汙水處理廠,以該企業印染廢水以及周邊部分生活汙水為處理對象,原設計處理量為16 000 t/d。在目前日趨嚴格的環境政策下,該園區印染企業廢水排放量自2011年呈逐年降低趨勢,使得實際排放量遠小於設計排放量。此外,近年來仿真絲的興起和印染整理技術的提升,該印染園區企業大量使用PVA漿料、人造絲堿解物(主要是鄰苯二甲酸類物質)、新型助劑等,大量難降解有機汙染物進入廢水中。由於企業汙水處理設備的老化和未及時更新,其處理後的排水很難滿足當地管網來水要求(COD≤200 mg/L),使得該園區汙水處理廠實際廢水進水水質遠大於其原設計進水值。再者,該汙水廠處理設施簡陋,部分工段的設備老化陳舊,未能得到更新,處理廢水能力下降,已不能滿足現有汙水廠處理水量、水質的要求。因此迫切需要對該汙水處理廠進行工藝升級改造,以滿足日益嚴格的環保要求。

根據園區印染企業的實際廢水排放情況,考慮未來的水量波動,對該汙水處理廠進行工藝改造,並對主要構築物、工藝參數以及技術經濟成本等幾個方麵進行了研究,使改造後的出水水質滿足《城鎮汙水處理廠汙染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A排放標準,以期為同類型汙水處理廠的廢水處理以及提標改造提供工程設計經驗。

工程概況

該汙水處理廠原設計水量為16 000 t/d,該汙水處理廠設計進出水水質、實際進出水水質如表 1所示。

表 1   進出水水質

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由表 1可知,汙水廠現有處理工藝可保證NH4+-N、TN、TP三個指標穩定達標。但是印染企業所排出的廢水中COD遠高於原工藝設計進水值(COD≤200 mg/L),且所排出廢水可生化性差,使得最終出水COD無法滿足排放要求。因此,重點以COD為考察指標,完成該汙水處理廠的工藝改造和建設,以滿足當地環保要求。

根據該汙水廠廢水水質、水量、原有工藝設施以及排放標準要求等實際情況,決定在原有工藝設施的基礎上進行改造,將高級氧化段的臭氧氧化替換為類Fenton氧化,出水經斜管蜂窩填料沉澱池沉澱以及濾布濾池過濾後排放,具體改造前後的工藝流程如圖 1所示。本期改造規模為5 000 t/d,其中,工業印染廢水水量為3 000 t/d,周邊生活汙水水量為2 000 t/d。

圖 1    改造前後廢水處理工藝流程

由圖 1可知,對汙水處理廠工藝改造主要從三個方麵進行:(1)預處理段改變混凝條件和更換混凝劑,提高混凝預處理效果;(2)生化段增加汙泥回流,保證水解酸化池汙泥濃度和活性,同時向活性汙泥氧化池中投加營養物質以保證微生物的新陳代謝,提高生化處理效果;(3)深度處理段將高級氧化段的臭氧氧化替換為類Fenton氧化,更有效更徹底去除難降解COD。

預處理段

燒杯實驗發現,采用氫氧化鈣將該汙水處理廠進水pH控製在8.0~8.5,然後控製硫酸亞鐵和聚丙烯酰胺(PAM)的投加質量濃度分別為200、3 mg/L,可獲得最佳混凝效果;在實際廢水處理過程中,可較快形成大且穩定的礬花,沉澱時間短,出水濁度低,水質清澈透明。表 2為聚合氯化鋁(現有汙水處理廠預處理段混凝池所用藥劑)和硫酸亞鐵對該汙水處理廠廢水的處理效果,結果顯示,以硫酸亞鐵為混凝劑,PAM為助凝劑,氫氧化鈣為pH調節劑,混凝處理效果較佳。

表 2  絮凝劑使用條件及處理效果

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(1) 水解酸化池。原有的工藝中,由於水解酸化效果不理想,不能迅速降解有機物,部分難降解的大分子物質沒有被降解為小分子物質,廢水可生化性差,以致生化段出水COD居高不下。經過一段時間的觀察、測試發現水解酸化池跑泥現象嚴重,尤其是在下雨天,因此,為了盡快提高水解酸化池汙泥濃度和活性,設置汙泥泵定期將汙泥從二沉池回流至水解酸化池進行汙泥補充,汙泥回流比為50%。水解酸化池采用脈衝式,共有兩個水解酸化池,有效容積870 m3,停留時間為3.87 h。

(2) 活性汙泥氧化池。由於汙水處理廠進水的可生化性極差且氮、磷等營養元素缺乏,不利於活性汙泥的生長,因此不僅保留了在該池前端引入生活汙水的混合方式,而且還需向活性汙泥氧化池中投加適合濃度的營養物質來保證活性汙泥的新陳代謝,同時保證出水氮磷達標。尿素和磷酸二氫鉀的投加質量濃度分別為90、24 mg/L。氧化池有效容積2610 m3,水力停留時間為6.96 h,控製DO為2~4 mg/L。

深度處理段

原有工藝采用臭氧氧化法對二沉池不達標出水進行深度處理,此法對色度去除十分有效,但COD降解能力低,最終出水COD為97.55~122.60 mg/L,不能滿足排放要求(COD≤50 mg/L)。這是因為在水溶液中,臭氧能優先與烯烴、供電子基團(如酚、苯胺和多環芳烴等活性芳香結構)、有機硫化物和去質子化胺類等反應,但礦化能力較差,隻是把複雜的染料大分子轉化為小分子,不能徹底降解去除有機物,且有可能生成具有潛在致癌作用的醛類和溴酸鹽。此外,臭氧的處理成本(耗電量20 kW·h/kg)與投加量成正比,去除1 mg COD需消耗臭氧1~3 mg,成本高昂,不適用於處理高濃度的有機廢水。

相對於臭氧氧化法,Fenton氧化法對印染廢水中的染料去除非常有效,因為H2O2在催化劑亞鐵離子存在下能生成氧化能力很強的羥基自由基(·OH)。

但是Fenton氧化法在實際應用過程中存在pH適用範圍窄(必須是酸性環境),對反應設備的防腐蝕要求偏高;H2O2利用率低,易殘留;亞鐵投加量大,汙泥產量高,汙泥處置費用高昂等問題。為此筆者采用一種基於新型氧化劑(由過氧化氫酶、過硫酸鹽、還原型穀胱甘肽等複合而成)的類Fenton氧化替代臭氧氧化法,能在亞鐵鹽催化作用下快速、持續釋放多種類自由基,包括羥基自由基(·OH)、硫酸根自由基(SO42-)等,快速將有機物質氧化成CO2,反應條件較為寬鬆,可操作性強,無過氧化氫殘留的問題,處理成本低,亞鐵投加量低,汙泥產量少。通過小試得出了基於類Fenton氧化法的最佳控製條件:控製pH在4~6,硫酸亞鐵投加質量濃度為120 mg/L,新型氧化劑投加質量濃度為165 mg/L,再用氫氧化鈣進行中和(控製pH在7.5~8.0),最後添加陰離子PAM進行助凝,PAM投加質量濃度為1.0 mg/L。在最優條件下處理實際廢水,出水COD平均去除率可達96.75%,出水水質滿足排放標準要求。

改造後的主要構築物、設備及工藝參數

經改造後的主要構築物、設備及工藝參數如表 3所示。

表 3   改造後的主要構築物、設備及工藝參數

運行效果及技術經濟分析

該工程於2016年8月份開始運行。經過3個多月的調試運行後,係統處理效果穩定,出水指標滿足《城鎮汙水處理廠汙染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A排放標準。對係統各單元進行為期三個月的取樣檢測發現,在進水COD為864~1 476 mg/L下,預處理段、生化段、類Fenton氧化池出水COD分別為223.82~523.73、223.82~523.73、21.66~48.35 mg/L,COD平均去除率分別為69.53%、75.50%、96.75%。

藥劑費用

(1) 初沉混凝。硫酸亞鐵、氫氧化鈣、PAM分別按300、700、20 000元/t計,投加質量濃度分別為200、60、3 mg/L,費用為0.06+0.042+0.06=0.162元/t。

(2) 活性汙泥氧化池。尿素和磷酸二氫鉀分別按2 000、7 000元/t計,投加質量濃度分別為90、24 mg/L,費用為0.18+0.168=0.348元/t。

(3) 類Fenton氧化。硫酸亞鐵、新型氧化劑、氫氧化鈣、PAM分別按300、1 500、700、20 000元/t計,投加質量濃度分別為120、165、37.5、1 mg/L,費用為0.036+0.25+0.026+0.02=0.332元/t。

則藥劑合計0.162+0.348+0.332=0.842元/t。

項目總裝機容量約為300 kW,運行負荷為209 kW,耗電量為167 kW·h,工業園區電費按0.75元/(kW·h),廢水處理量按5 000 t/d計,則動力費167×24×0.75÷5 000=0.6元/t。

人工費用

汙水處理廠運行全職員工以9人計,人均工資按3 000元/月計,則人工費用3 000÷30×9÷5 000=0.18元/t。

其他費用

其他費用包括自來水費和汙泥運輸費兩部分。自來水費和汙泥運輸費分別按0.1、0.04元/t計,其他費用合計0.14元/t。

綜上所述,水處理費用總計0.842+0.6+0.18+0.14=1.762元/t。

項目改造運行期間,實際費用遠低於原有工藝運行費用(約4元/t),隨著係統的穩定,後續處理的加藥量可適當調整,有進一步優化空間。

(1) 汙水廠進水COD為864~1 476 mg/L,原有工藝最終出水COD為120~150 mg/L,出水無法達標排放。經提標改造,采用以混凝初沉+A/O+類Fenton氧化為主體工藝處理該廢水,取得了良好的處理效果,最終出水COD為21.66~48.53 mg/L,出水指標優於《城鎮汙水處理廠汙染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A排放標準。

(2) 初沉混凝池改用硫酸亞鐵為混凝劑,COD平均去除率69.53%,具有可較快形成大且穩定的礬花,沉澱時間短,出水濁度低,水質清澈透明等優勢。

(3) 深度處理改用基於新型氧化劑的類Fenton氧化法,出水COD平均去除率96.75%,具有反應條件相對寬鬆、處理成本低、無殘留、產泥量少等優勢。

(4) 設施運行費用主要包括藥劑費、電耗和人工費用三部分,以及自來水費和汙泥運輸費,經提標改造,該工藝廢水處理成本為1.762元/t,遠低於原有工藝運行費用。

(5) 本工程的實施調試以及穩定運行表明,改造後的工藝具有高效、簡單、經濟等諸多優點,能夠解決類似於湖北漢川某印染園區汙水處理廠廢水處理不達標的難題。

(來源:《工業水處理》2018年第7期   參考文獻略。訂閱2018年期刊電子版,請點擊“閱讀原文”)

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